thumb|upright=1.3|In de binnenmembranen van mitochondriën vindt oxidatieve fosforylering plaats. Producten uit de citroenzuurcyclus, zoals NADH, leveren elektronen af aan de elektronentransportketen. Eiwitcomplexen zullen de elektronen doorgeven en daarbij H+-ionen (protonen) over het membraan pompen.
De oxidatieve fosforylering is een onderdeel van de stofwisseling waarin energie uit voedingsstoffen via een reeks redoxreacties, en met gebruikmaking van zuurstof, wordt omgezet en opgeslagen in adenosinetrifosfaat (ATP). In eukaryoten, zoals planten en dieren, vindt de oxidatieve fosforylering plaats binnen mitochondriën. Het proces is uiterst efficiënt: in het menselijk lichaam produceert het ongeveer 60% van alle energie.
Voedingsstoffen worden in cellen afgebroken, bijvoorbeeld in de citroenzuurcyclus. Hierbij worden energierijke moleculen gevormd. Tijdens de oxidatieve fosforylering wordt deze energie zo aangewend dat ATP kan worden geproduceerd. ATP is de drager van chemische energie in vrijwel alle levende cellen. De oxidatieve fosforylering eindigt met een stap waarin zuurstof optreedt als elektronenacceptor. Dit feit verklaart waarom de meeste cellen zuurstof nodig hebben om te kunnen leven.
In eukaryoten wordt de oxidatieve fosforylering gekatalyseerd door vijf eiwitcomplexen in het binnenmembraan van de mitochondriën. Bij prokaryoten bevinden deze eiwitten zich in het plasmamembraan. Samen vormen de eiwitcomplexen een zogenaamde elektronentransportketen. Tijdens het doorgeven van elektronen door deze keten worden er protonen (H+-ionen) over het membraan getransporteerd. Uit de hierdoor aangelegde protonengradiënt kan ATP worden gevormd; de terugstroom van protonen via ATP-synthase levert de energie voor de koppeling van fosfaat aan ADP.
Grondprincipes Overzicht Tot de jaren 1960 was het mechanisme van oxidatieve fosforylering een van de grootste puzzels in de biochemie. Dankzij de inzichten en de experimentele creativiteit van de Britse biochemicus Peter Mitchell (1920-1992) – en het daaropvolgende werk van vele andere onderzoekers – is een groot deel van de puzzel inmiddels opgelost. Oxidatieve fosforylering is gebaseerd op een gradiënt van protonen (H+-ionen) over het mitochondriale membraan en de daaropvolgende gebruikmaking van de in dat gradiënt opgeslagen energie om ATP te vormen.Alberts et al. pp. 761–762.
In levende cellen worden organische verbindingen uit voedsel, zoals koolhydraten en vetten, door middel van katabole stofwisselingsroutes afgebroken (celademhaling). Tijdens deze processen, waarvan de citroenzuurcyclus veruit het hoogste rendement heeft, wordt de energierijke elektronendrager NADH gevormd. NADH is een zeer sterke reductor, die in staat is zijn elektronen af te staan aan de elektronentransportketen. Dit is een reeks van grote enzymcomplexen waardoorheen elektronen stapsgewijs worden doorgegeven. Bij iedere doorgeefstap komt een beetje energie vrij. Deze energie wordt gebruikt om protonen (H+-ionen) over het membraan te pompen. Hierdoor ontstaat een zuurgraadverschil aan weerszijden van het membraan.
De protonen hebben de 'neiging' terug te diffunderen naar de andere kant van het membraan; terug naar een omgeving met een lage protonenconcentratie. Dit principe, chemiosmose, werd door Peter Mitchell in 1961 voorgesteld als de motor achter energiewinning in de cel. Hij bewees dat de terugstroom van protonen alleen via ATP-synthase kan plaatsvinden. Wanneer genoeg protonen ATP-synthase passeren, zal dit grote eiwitcomplex een fosfaatgroep koppelen aan ADP, zodat ATP wordt gevormd. Het gehele proces – de elektronenoverdracht en de daaraan gekoppelde chemiosmose – noemt men oxidatieve fosforylering. Meer dan 90% van alle ATP in het menselijk lichaam wordt via dit mechanisme geproduceerd.
Elektronenoverdracht
thumb|Reductie van co-enzym Q10, van ubichinon (Q) naar het gereduceerde ubichinol (QH2).
De overdracht van elektronen speelt een sleutelrol in de energiestofwisseling, die voor een belangrijk deel bestaat uit redoxreacties. De elektronentransportketen is opgebouwd uit een reeks grote membraangebonden eiwitcomplexen die elektronen aan elkaar door kunnen geven, op basis van oplopende elektronegativiteit. Bij sommige van de doorgeefstappen – drie in het geval van mitochondriën – worden afgeplitst die over het membraan worden getransporteerd (gepompt).
Elektronen worden van eiwitcomplex naar eiwitcomplex gedragen door mobiele elektronendragers, zoals chinonen en cytochromen. Ook deze moleculen dragen bij aan het protonengradiënt. Co-enzym Q10, een vet-oplobare chinon in de binnenmembranen van mitochondriën, pompt bijvoorbeeld twee protonen over het membraan. Een andere elektronendrager is cytochroom c, dat als water-oplosbaar eiwit in de intermembraanruimte voorkomt.
Binnen eiwitcomplexen worden elektronen gevangen en overgedragen door cofactoren, voornamelijk flavinen en ijzer-zwavelclusters. IJzer-zwavelclusters bestaan uit twee of vier ijzeratomen en een gelijk aantal zwavelatomen, gecoördineerd door zijketens van cysteïne. Hoewel er meerdere ijzeratomen in een cluster zitten, kan telkens maar één elektron worden opgenomen en afstaan. Elektronen kunnen behoorlijke afstanden binnen eiwitcomplexen afleggen door achtereenvolgens doorgeven via cofactoren.
Elektronentransportketen in eukaryoten
Voedingsstoffen worden binnen cellen afgebroken in katabole reactiepaden, zoals de glycolyse, bèta-oxidatie en bovenal de citroenzuurcyclus. Bij al deze processen ontstaat een hoog-energetisch molecuul genaamd NADH. Dit molecuul bevat elektronen met een zeer lage redoxpotentiaal, wat wil zeggen dat het een grote hoeveelheid energie vrijgeeft bij oxidatie. In een levende cel komt deze energie niet in één keer vrij; de energie wordt via een reeks enzymcomplexen in kleine stapjes vrijgegeven. Deze keten van enzymen wordt de elektronentransportketen genoemd en bevindt zich in het binnenmembraan van het mitochondrion, de energiecentrale van de cel.
Mitochondriën zijn aanwezig in de cellen van vrijwel alle eukaryotische levensvormen: in planten, dieren, schimmels en vele eencelligen. Mitochondriën zijn opgebouwd uit een vrij doorgankelijk buitenmembraan en een ondoorgankelijk binnenmembraan. Het binnenmembraan omgeeft de binnenste ruimte (de matrix) en is sterk geplooid. In de plooien (cristae) bevinden zich de eiwitcomplexen, die als taak hebben protonen uit de matrix naar de intermembraanruimte te pompen. In dieren en planten bewegen elektronen via drie eiwitcomplexen (complex I, III en IV) naar de laatste elektronenacceptor zuurstof. De actieve centra van deze eiwitcomplexen zijn sterk geconserveerd in de evolutie; ze lijken nog precies op die in bacteriën. In onderstaande paragrafen zullen hun structuur en functie apart beschreven worden.
Complex I: NADH-dehydrogenase thumb|upright=1.2|NADH doneert twee elektronen, die via een gebonden cofactor (FMN) en acht ijzer-zwavelclusters (FeS) naar ubichinon (Q) zullen gaan. Tijdens de elektronen-overdracht vinden er conformatieveranderingen plaats waardoor vier protonen over het membraan gaan.
Het eerste eiwitcomplex in de elektronentransportketen is NADH-dehydrogenase, ook wel NADH–ubichinon-oxidoreductase of Complex I genoemd. Het is een zeer groot eiwitcomplex dat in zoogdieren uit 46 subunits bestaat en een massa heeft van bijna een miljoen dalton. Bij veel organismen is het ruwweg L-vormig, met een hydrofobe arm en hydrofiele arm. De genen die coderen voor de subunits van Complex I bevinden zich in zowel het kern-DNA als in het mitochondriale DNA. Dit is bij veel eiwitten van mitochondriën het geval.
De reactie die door dit enzymcomplex wordt gekatalyseerd, is de oxidatie van NADH en de gelijktijdige reductie van ubichinon (vaak afgekort als Q in reactievergelijkingen). Ubichinon is een vet-oplosbare chinonverbinding die vrij in het mitochondriale membraan circuleert. Tijdens deze redoxreactie worden de elektronen van NADH overgedragen op ubichinon, dat daarbij twee protonen opneemt en gereduceerd wordt tot ubichinol (QH2). De reactie wordt als volgt weergegeven.
NADH + Q + 5H+ -> NAD+ + QH2 + 4H+
De reactie begint wanneer een NADH-molecuul aan Complex I bindt en zijn twee hoog-energetische elektronen afstaat. De elektronen worden gevangen door een vastgebonden elektronendrager genaamd flavine-mononucleotide (FMN), en vervolgens doorgegeven via een reeks van acht ijzer-zwavelclusters. Terwijl de elektronen door Complex I bewegen, worden er drie protonen uit de matrix in de intermembraanruimte gepompt. Vermoed wordt dat dit op basis van gesynchroniseerde conformatieveranderingen gebeurt in de hydrofobe arm.
Complex II: Succinaat-dehydrogenase Een tweede ingangspunt van de elektronentransportketen is succinaat-dehydrogenase, voluit succinaat-Q-oxidoreductase of Complex II. Het is een bijzonder enzym omdat het zowel in de elektronentransportketen als in de citroenzuurcyclus functioneert. Complex II bestaat uit vier subunits en bevat de cofactor flavine-adenine-dinucleotide (FAD) en een aantal ijzer-zwavelclusters. Het enzymcomplex katalyseert de oxidatie van succinaat naar fumaraat. Net als bij Complex I, worden de elektronen overgedragen op ubichinon (Q). Hoewel succinaat-dehydrogenase in het mitochondriale membraan is ingebed, pompt het geen protonen over het membraan en draagt het dus niet bij aan het protonengradiënt; het wordt daarom niet beschouwd als een wezenlijk onderdeel van de ademhalingsketen. et al, pp. 768-773.
{Succinaat} + Q -> {Fumaraat} + QH2
Complex III: Cytochroom-c-reductase thumb|Het ene elektron van ubichinol (QH2) gaat via een ijzer-zwavelcluster (FeS) en een heemgroep (c1) naar cytochroom c. Het andere elektron wordt via cytochroom b terug-gecirculeerd in de ubichinon-pool. Cytochroom-c-reductase of Complex III is een groot eiwitcomplex dat in zoogdieren uit twee gelijk gevormde delen bestaat (dimeer). Elk deel is opgebouwd uit 11 subunits. De functionele kern van Complex III bevat een ijzer-zwavelcluster en drie cytochromen. Cytochromen zijn kleine eiwitten waarin een heemverbinding voorkomt, die gemakkelijk elektronen kan opnemen en afstaan.
Complex III accepteert twee elektronen van ubichinol en geeft deze via de ijzer-zwavelcluster en een heemgroep door aan cytochroom c. Cytochroom c is een wateroplosbaar eiwit dat zich in de intermembraanruimte bevindt. Het brengt de elektronen, één voor één, naar het laatste eiwitcomplex in de ademhalingsketen (Complex IV). In totaal transporteert Complex III vier protonen over het membraan.
QH2{} + 2 Cyt\, c_{ox}{} + 2H+ -> Q{} + 2 Cyt\, c_{red}{} + 4H+
Het reactiemechanisme van Complex III is relatief ingewikkeld. De twee elektronen uit ubichinol gaan niet rechtstreeks naar cytochroom c, maar volgen verschillende routes; een van de elektronen gaat via een heemgroep naar cytochroom c aan het membraanoppervlak. Het andere elektron gaat terug naar een apart gebonden ubichinon-molecuul, dat daarbij één proton opneemt en in een radicaal verandert (ubisemichinon). Vervolgens bindt een tweede ubichinol aan Complex III. Eén elektron gaat wederom naar cytochroom c, de ander wordt geaccepteerd door ubisemichinon, dat als nieuwe ubichinol vrijkomt in het membraan. Door middel van deze redoxcyclus worden twee extra protonen over het membraan gepompt, vier in totaal.
Complex IV: Cytochroom-c-oxidase thumb|Elektronen van cytochroom c gaan via twee koperatomen (Cu) naar een zuurstofmolecuul, dat vastgebonden zit tussen heemijzer een nabijgelegen koperatoom.
Het laatste eiwitcomplex in de ademhalingsketen is cytochroom-c-oxidase of Complex IV. In zoogdieren bestaat het uit 13 subunits, met twee ijzerbevattende heemgroepen en drie koperatomen. Complex IV katalyseert de overdracht van de elektronen uit cytochroom c naar moleculair zuurstof (O2), de allerlaatste elektronenacceptor in de keten.